源测量单元仪器可以做什么？

源测量单元 (SMU) 仪器将精密电源 (PPS) 的功能与高性能数字万用表 (DMM) 的功能集成在单个仪器中。例如，SMU 仪器可以在测量电流的同时提供或吸收电压，并在测量电压的同时提供或吸收电流（_图 1_）。它们可以用作独立的恒压或恒流源，独立的电压表、电流表和欧姆表，以及精密电子负载。它们的高性能架构还允许将它们用作脉冲发生器、波形发生器和自动电流-电压 (IV) 表征系统。

基本 SMU 仪器拓扑。

由于 SMU 仪器能够同时获取和测量信号，因此它们非常适合各种测试和测量应用（请参阅侧栏）。与使用单独的仪器来处理每个功能相比，这种同步操作提供了更快的测试时间、简化的连接、更高的精度、更简单的编程以及更低的拥有成本。它们的紧密集成使它们能够保护被测设备 (DUT) 免受意外过载、热失控和其他危险造成的损坏。它还使 SMU 仪器成为表征和测试半导体器件以及其他非线性器件和材料的理想选择。正如以下示例所示，SMU 广泛应用于台式研发和基于机架的生产测试环境。

电阻率测试

材料的电阻率决定了其传导电流的能力，具体取决于材料的掺杂和加工等因素，以及温度和湿度等环境因素。材料的电阻率会影响由其制成的器件的特性，例如串联电阻、阈值电压、电容等。根据材料的电阻大小、形状和厚度，可以使用各种确定电阻率的方法。四点共线探头是测量薄而扁平材料（包括半导体材料和导电涂层）电阻率的常用方法。该技术涉及使四个等距的探针与未知电阻的材料接触，在外部两个探针之间施加直流电流，并测量内部两个探针之间的电压差。电阻率是根据几何因素、源电流和电压测量值计算得出的。由于 SMU（_图 2_）可以提供电流、测量电压并配置为显示电阻或电阻率结果，因此该仪器非常适合该技术。

使用 2450 型 SourceMeter? SMU 仪器以及 Lucas/Signatone Corporation（加利福尼亚州吉尔罗伊）SP4 型 4 点探头和 S-302 测试台测量透明导电涂层的电阻率。

在这种四点共线探针电阻率测量技术中，安装在探针头上的探针被轻轻地放置在晶圆的中心，如图 3 所示。

四点探针电阻率测试电路。

两个外部探头（1 和 4）提供电流；两个内部探针（2 和 3）测量样品表面产生的电压降。

材料的体积或体积电阻率 (ρ) 可以计算如下：

其中：

ρ = 体积电阻率 (Ω-cm)
V = 探头 2 和 3 之间测量的电压（电压）
I = 源电流的幅度（安培）
t = 样品厚度 (cm)
k = 基于的修正系数探针与晶圆直径之比以及晶圆厚度与探针间距之比

然而，对于薄膜和涂层等材料，则确定的是薄层电阻或表面电阻率，而不考虑厚度。方块电阻 (σ) 计算如下：

其中：

σ = 方块电阻（Ω/平方或仅 Ω）

请注意，方块电阻的单位以Ω/平方表示，以避免与测量的电阻 (V/I) 混淆。

许多 SMU 都提供内置于电阻测量功能中的技术，允许用户补偿电压偏移并提高测量精度。偏移补偿技术涉及在提供 0A 电流时进行电压测量，然后从在所需测试电流下获取的电压读数中减去该值。当前的反转技术虽然与偏移补偿方法类似，但提供了更好的信噪比。该技术通过使用相反极性的源电流进行两次电压测量来消除电压偏移。当两次测量结果取平均值时，电压偏移会从终读数中以数学方式消除。的 SMU 可以通过编程自动根据测量的电阻计算电阻率（以欧姆/平方为单位），如图 6 所示。

的 SMU 可以自动计算并显示样品的测量电阻和电阻率。

如果所使用的 SMU 具有三同轴连接，则每当表征较高阻抗材料时都应使用这些连接。由于三同轴电缆经过屏蔽，因此可以减少静电干扰的影响，而静电干扰可能会导致读数出现噪音。探针和被表征的材料也应进行静电屏蔽。光敏材料在测量过程中也需要遮光。

可充电电池充电/放电循环

可充电电池或二次电池的特性通常使用放电和充电循环进行测试。循环测试提供重要信息，例如电池的内部化学成分、容量、可用循环次数和使用寿命。在生产测试中，通常会执行放电/充电循环来验证电池规格并确保其没有缺陷。尽管典型的电池放电/充电测试设置可能包括可编程电源、电子负载、电压表和电流表，但 SMU 提供了更简单的替代方案，因为它可以提供/吸收电流，以及测量电压和电流。SMU 可以通过拉电流对电池充电，通过耗散功率对电池放电，并监控电池电压和负载电流。

恒流充电和放电的速率根据电池容量（电池可以存储的电量）来定义，容量以可用毫安小时 (mAh) 为单位，并应以放电或负载来表示， 当前的。放电电流在一小时内将整个电池放电的速率称为 C 速率。例如，额定容量为1000mAh的电池，如果以1C放电，一小时将输出1000mA。如果 500mAh 电池以 50mA 放电，那么它以十分之一的 C 倍率 (0.1C) 放电，因此可以提供 50mA 电流十小时。

对于充电和放电周期，SMU 可配置为提供电压并测量电流。电池通常使用恒定电流充电。这可以通过使用 SMU 作为电压源来实现，电压源设置为电池的额定电压，并将所需的充电电流设置为电流限制。测试开始时，电池电压低于SMU的电压输出设置。因此，该电压差驱动的电流立即限制在用户定义的电流限值内。当处于电流限制时，SMU 充当恒流源，直到达到编程电压水平。当电池充满电时，电流将减小，直到达到零或接近零。为了防止安全隐患或损坏电池，必须注意不要对电池过度充电。

当电池放电时，SMU 作为接收器运行，因为它消耗功率而不是提供功率。SMU 的电压源设置为低于电池电压。电流限制设置放电速率。当输出使能时，来自电池的电流流入 SMU 的 HI 端子。因此，当前读数将为负值。放电电流应保持恒定，直到电池电压降低至 SMU 的电压源设置。

为了设置测试，将 SMU 连接到电池，如图 7 所示。仪器端子与电池之间采用四线或远程感测连接，以消除引线电阻的影响。这使得电池电压能够在尽可能靠近其端子的位置进行测量。SMU 的 Force HI 和 Sense HI 输出端子连接到电池的正极端子，Sense LO 和 Force LO 输出连接到负极端子。

将 SMU 连接到电池以进行充电/放电循环。

为了说明该技术，图 8 中的图表显示了使用 SMU 进行监控的 2300mAh AA (1.2V) 电池的放电特性，该 SMU 配置为使用四线连接提供电压并测量电流。使用460mA负载电流以0.2C的速率对电池进行放电。每十秒读取电池电压、负载电流和相对时间的读数，直到电池电压达到指定水平 (1V)。

2300mAh AA 电池的放电特性。

除了监控读数之外，的 SMU 还可以在测试过程中同时显示负载电流、电池电压和经过的测试时间

2450 型 SourceMeter SMU 仪器在 AA 电池放电时显示负载电流、电池电压和经过的测试时间。